MOS管柵極驅動(dòng)振蕩現象原因及解決方法-KIA MOS管

MOS管柵極驅動(dòng)振蕩

功率MOSFET以其開(kāi)關(guān)速度快、驅動(dòng)功率小和功耗低等優(yōu)點(diǎn)在中小容量的變流器中得到了廣泛的應用。

當采用功率MOSFET橋式拓撲結構時(shí)，同一橋臂上的兩個(gè)功率器件在轉換過(guò)程中，柵極驅動(dòng)信號會(huì )產(chǎn)生振蕩，此時(shí)功率器件的損耗較大。當振蕩幅值較高時(shí)，將使功率器件導通，從而造成功率開(kāi)關(guān)管直通而損壞。

目前常用的解決方法是在MOSFET關(guān)斷時(shí)在柵極施加反壓，以削弱振蕩的影響，但反壓電路卻占用空間，同時(shí)增加了成本。

本文在深入分析了MOSFET柵極振蕩產(chǎn)生機理基礎上，設計了硬件驅動(dòng)電路。理論分析和實(shí)驗結果表明，采用本文所提出的方法，只需增加較少的器件就能夠最大程度地抑制振蕩。

柵極驅動(dòng)信號振蕩的產(chǎn)生機理

由功率MOSFET的等效電路可知，3個(gè)極間均存在結電容，柵極輸入端相當于一個(gè)容性網(wǎng)絡(luò )，驅動(dòng)電路存在著(zhù)分布電感和驅動(dòng)電阻，此時(shí)的橋式逆變電路如圖1所示。

以上管開(kāi)通過(guò)程為例，當下管V2已經(jīng)完全關(guān)斷時(shí)，柵源極同電位。在上管開(kāi)通過(guò)程中，設上管開(kāi)通時(shí)間為ton，直流母線(xiàn)電壓為E，由于開(kāi)通過(guò)程時(shí)間很短，其漏源極電壓迅速由直流母線(xiàn)電壓下降到近似零，相當于在下管V2漏源極間突加一個(gè)電壓E，形成很高的dv/dt。

該dv/dt的數值與上管V1的開(kāi)通速度有關(guān)，可近似認為

MOS管柵極振蕩

圖1　半橋式拓撲的等效電路

此時(shí)雖然下管已經(jīng)完全關(guān)斷，但是該dv/dt因結電容Cgd2的存在而對柵源極狀態(tài)產(chǎn)生影響。

MOS管柵極振蕩

由上式可知，當上管開(kāi)通時(shí)會(huì )在下管柵極產(chǎn)生阻尼衰減振蕩信號，如圖2所示。同理，當上管關(guān)斷、下管開(kāi)通時(shí)，上管柵極也同樣會(huì )產(chǎn)生振蕩，只是相位與前者相反，其幅值可以表示為

MOS管柵極振蕩

由于振蕩頻率很高，使MOSFET處于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，產(chǎn)生很大的開(kāi)關(guān)損耗。

更嚴重的是若振蕩的幅值達到MOSFET的門(mén)檻電壓，下管將開(kāi)通，而上管正處于導通狀態(tài)，此時(shí)將造成上下功率管的直通現象，造成MOSFET的損壞。以上現象可以通過(guò)調整驅動(dòng)電路參數加以抑制。

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圖2　柵極振蕩干擾實(shí)測波形

驅動(dòng)電路的改進(jìn)減小分布電感若取極限情況，驅動(dòng)電路的分布電感為零，則驅動(dòng)信號由式(3)簡(jiǎn)化為如下形式

MOS管柵極振蕩

式中，S=Rg2Cgs2。

由上式可知此時(shí)振蕩已經(jīng)變?yōu)橹笖邓p形式，在t=0時(shí)為最大值

MOS管柵極振蕩

由上述分析可知，分布電感主要影響驅動(dòng)信號振蕩的暫態(tài)表現形式，若盡量減小分布電感，可使驅動(dòng)信號由阻尼振蕩變?yōu)橹笖邓p，即可消除MOSFET的高頻開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)亦可一定程度上降低振蕩幅值。

因此在設計電路時(shí)應該盡量使驅動(dòng)芯片靠近MOSFET，并減小閉合回路所圍的面積。如用導線(xiàn)連接應該使用雙絞線(xiàn)或使用同軸電纜，以盡量減小分布電感。

開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間的配合與調整由式(5)和式(8)可知，MOSFET的開(kāi)通時(shí)間是影響驅動(dòng)信號振蕩幅值的主要因素，呈反比例關(guān)系。

若適當增大器件的開(kāi)通時(shí)間，即可在很大程度上減小振蕩幅值，因此考慮在驅動(dòng)芯片與MOSFET柵極間加設緩沖電路，即人為串接驅動(dòng)電阻，在MOSFET柵源極間并聯(lián)電容以延長(cháng)柵極電容的充電時(shí)間，降低電壓變化率。

而MOSFET的關(guān)斷時(shí)間與開(kāi)通時(shí)間存在著(zhù)一定的矛盾，若單純增大開(kāi)通時(shí)間，必然也增大了關(guān)斷時(shí)間，而從減小死區時(shí)間角度，希望關(guān)斷時(shí)間短一些，因此考慮調整MOSFET的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間；

在驅動(dòng)電阻上反并聯(lián)快恢復二極管，改變MOSFET開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間常數，在開(kāi)通時(shí)為減小dv/dt的應力，增加柵極的充電時(shí)間，而關(guān)斷時(shí)間應短一些，以使用較短的死區時(shí)間減小輸出波形的諧波含量，電路如圖3所示。

通過(guò)以上措施，可以實(shí)現在增大開(kāi)通時(shí)間，減小電壓變化率的同時(shí)，保證了較短的關(guān)斷時(shí)間。

MOS管柵極振蕩

圖3　改進(jìn)后驅動(dòng)電路

理論上，開(kāi)通時(shí)間越長(cháng)dv/dt應力越小，振蕩產(chǎn)生的干擾效果就越不顯著(zhù)，但是由MOSFET開(kāi)關(guān)損耗近似公式

MOS管柵極振蕩

式中：f為MOSFET的工作頻率。

由于MOSFET通常工作在幾十kHz的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其充放電電流由柵源極電容和驅動(dòng)電壓決定，若驅動(dòng)電阻選的很大，使得電路損耗過(guò)大，不利于驅動(dòng)電路的安全運行，因此要綜合考慮電阻、電容的取值。

一般驅動(dòng)電阻的阻值為幾十8，柵源極并聯(lián)電容的取值以式(10)為參考。

其它措施考慮到驅動(dòng)信號振蕩主要出現在橋臂一側MOSFET的關(guān)斷階段，即柵源極為零電位時(shí)，由PNP三極管的工作原理，在驅動(dòng)芯片與驅動(dòng)電阻之間外接PNP三極管，當驅動(dòng)芯片提供高電平時(shí)，三極管不導通，對電路邏輯不造成影響。

在驅動(dòng)芯片提供低電平過(guò)程中，當未產(chǎn)生振蕩時(shí)，三極管基極與集電極電位均近似為零，三極管不工作；當MOSFET柵源極產(chǎn)生振蕩時(shí)，三極管集電極電位為正，將飽和導通，振蕩電壓經(jīng)反并聯(lián)二極管和三極管迅速泄放，避免了MOSFET誤導通。

同時(shí)在柵源極間并聯(lián)穩壓管，進(jìn)一步限制柵源極過(guò)壓。最終改進(jìn)后驅動(dòng)電路如圖3所示。

圖4是工作頻率f為40kHz，MOSFET未加緩沖電路的柵極驅動(dòng)信號實(shí)測波形，此時(shí)驅動(dòng)芯片直接與MOSFET的柵極相連，由于沒(méi)有考慮分布電感的作用，芯片與MOSFET擺放位置相對較遠。

實(shí)際測得驅動(dòng)電路分布電感L為135nH，驅動(dòng)電阻近似為零，從圖4中可以看出，改進(jìn)前振蕩的幅值很大，導致MOSFET發(fā)熱嚴重，直至過(guò)熱損壞，逆變器根本無(wú)法正常工作。

驅動(dòng)電路改進(jìn)后，實(shí)際測得分布電感L為23.5nH，驅動(dòng)電阻Rg取為30Ω，并聯(lián)電容C取為0.01μF。實(shí)測柵極驅動(dòng)波形如圖5所示，可以看出改進(jìn)后的電路很好地解決了柵極驅動(dòng)信號的振蕩問(wèn)題。

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